圍繞裝備有主流快充協(xié)議USB-PD充電器設(shè)計(jì)，我們正在進(jìn)行技術(shù)文章的四期連載。系列文章從提高效率、加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、優(yōu)化性能、降低整體成本等方面，為大家詳細(xì)解讀。

作為本系列的最終章，我們將為大家介紹效率高達(dá)94%的100W USB-PD解決方案。

更大的電池容量和更短的充電時(shí)間需求，不斷提高對(duì)于充電器功率的要求。在小尺寸中實(shí)現(xiàn)大功率頗具挑戰(zhàn)性，人們?yōu)榇颂岢隽烁鞣N各樣的創(chuàng)新方案，包括零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高性能開(kāi)關(guān)、創(chuàng)新的封裝方式以及使用寬禁帶材料等，以滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)要求。

本文介紹了一種100W的USB-PD解決方案，并解釋了它如何利用電源開(kāi)關(guān)和新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)94%的效率和23W/in3的功率密度。

確保高性能的關(guān)鍵：選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了達(dá)到更高的功率密度，需要選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、規(guī)格尺寸和先進(jìn)的控制技術(shù)。縱觀當(dāng)前的大功率移動(dòng)充電器市場(chǎng)，存在著多種針對(duì)大功率USB-PD充電器的解決方案，包括PFC+QR和PFC+LLC。然而，這些解決方案也存在一定局限性，限制了其得到廣泛應(yīng)用，例如：QR無(wú)法實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)難以用于可變輸出電壓設(shè)計(jì)。

針對(duì)上述情況，英飛凌推出了一種新的非對(duì)稱半橋混合型反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖1）。半橋與串聯(lián)電容器共同驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的反激變壓器。反激變壓器的主電感和串聯(lián)電容器形成諧振回路，用于實(shí)現(xiàn)半橋開(kāi)關(guān)的ZVS特性，并在反激變壓器的常規(guī)退磁階段提供諧振功率傳輸。在正常運(yùn)行期間，充電周期和相關(guān)功率通過(guò)峰值直流電流控制，而退磁階段通過(guò)定時(shí)控制，以確保適當(dāng)?shù)呢?fù)預(yù)磁化，從而滿足半橋開(kāi)關(guān)所需的ZVS條件。

圖1：非對(duì)稱半橋反激拓樸的簡(jiǎn)化示意圖

初級(jí)側(cè)的電源電路通過(guò)LC諧振回路實(shí)現(xiàn)，該回路由類似于LLC轉(zhuǎn)換器的半橋驅(qū)動(dòng)。諧振電感器Lr為串聯(lián)電感，它既可以是變壓器漏感，也可以是變壓器漏感加外部電感，而Lm則代表變壓器主電感。通過(guò)將諧振電容器Cr和變壓器的初級(jí)線圈連接于正節(jié)點(diǎn)和半橋中點(diǎn)之間，也可以實(shí)現(xiàn)相同的轉(zhuǎn)換效果。當(dāng)高側(cè)開(kāi)關(guān)HS導(dǎo)通時(shí)，能量將存儲(chǔ)于Cr和Lm中，并且各自存儲(chǔ)的能量將隨輸入電壓和開(kāi)關(guān)頻率而變化（如圖2所示）。

圖2：儲(chǔ)能分布和頻率變化示意圖

當(dāng)高側(cè)開(kāi)關(guān)HS斷開(kāi)時(shí)，變壓器中的電流將迫使半橋中點(diǎn)VHB下降，直至低側(cè)開(kāi)關(guān)的體二極管鉗位電壓為止。然后，低側(cè)開(kāi)關(guān)將在零電壓時(shí)導(dǎo)通，與此同時(shí)，變壓器相位反轉(zhuǎn)，能量轉(zhuǎn)移至次級(jí)側(cè)。當(dāng)?shù)蛡?cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，上一階段變壓器中感應(yīng)的負(fù)電流將迫使半橋中點(diǎn)VHB升高其電壓，直至高側(cè)開(kāi)關(guān)HS的體二極管鉗位電壓為止，類似于上一個(gè)階段。在ZVS條件下，HS打開(kāi)，而LS關(guān)閉，但變壓器諧振回路中的電流仍為負(fù)，這意味著諧振回路中的多余能量將被送回輸入端。

為什么首選混合反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)？

與其他反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，混合反激變壓器需要存儲(chǔ)的能量比較少，因此有助于減小充電器的尺寸。

混合反激可以在初級(jí)側(cè)實(shí)現(xiàn)完全的ZVS，而在次級(jí)側(cè)實(shí)現(xiàn)完全的ZCS，并且泄漏能量也可以回收，從而提高效率。

如以下公式，輸出電壓將隨占空比變化。對(duì)于混合反激式來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)寬電壓范圍的輸出要容易得多，由此克服了LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在寬電壓輸出應(yīng)用中的局限性。

英飛凌的100W USB-PD參考設(shè)計(jì)

完整的解決方案如圖3所示。PFC級(jí)采用臨界導(dǎo)通模式IRS2505和ThinPAK封裝IPL60R185C7 CoolMOS?，而DC-DC級(jí)則采用數(shù)字PWM控制器XDPS2201和IPLK60R360PFD7。同時(shí)，BSC028N06NS用作同步整流開(kāi)關(guān)（將來(lái)可以換成專門(mén)針對(duì)充電器同步整流用的低壓ISZ0702NLS以進(jìn)一步提升性價(jià)比），協(xié)議控制器為CYPD3174，而p-channel MOS BSZ086N03NS3用作輸出安全開(kāi)關(guān)。

圖3：100W USB-PD解決方案框圖

通過(guò)這種設(shè)置，效率峰值可以達(dá)到94%，并且待機(jī)功耗低于60mW。

圖4：效率和待機(jī)功耗曲線

最高效率：選擇適當(dāng)?shù)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/873/" target="_blank">高壓MOSFET至關(guān)重要

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)使器件能夠在ZVS下運(yùn)行，即MOSFET僅在其漏源電壓達(dá)到0V（或接近于0V）后才導(dǎo)通。這種策略可以消除器件的導(dǎo)通損耗，而導(dǎo)通損耗通常是造成總開(kāi)關(guān)損耗的主要因素。遺憾的是，由于輸出電容的“非無(wú)損”特性，所有高壓SJ MOSFET都會(huì)遭受另外一種損耗，即在MOSFET輸出電容（Coss）先充電后放電時(shí)，都會(huì)有部分能量損失。因此，即使在ZVS條件下運(yùn)行，也無(wú)法回收存儲(chǔ)于輸出電容中的全部能量（Eoss）。這種現(xiàn)象與Coss的滯回特性有關(guān)，在執(zhí)行Coss充電/放電周期時(shí)可以借助較大的信號(hào)測(cè)量觀察到這種現(xiàn)象。正因如此，此類損耗通常被稱為Coss滯回?fù)p耗（Eoss，hys）。

圖5：SJ MOSFET的Qoss充電/放電周期

得益于英飛凌先進(jìn)的SJ技術(shù)，CoolMOS? PFD7系列進(jìn)一步降低了滯回?fù)p耗，從而有助于進(jìn)一步提高效率。

結(jié)論

基于數(shù)字XDPS2201的ZVS混合反激式，可以在不同的輸入電壓和輸出電流條件下實(shí)現(xiàn)ZVS和ZCS。此外，它還可以回收變壓器漏感的能量。高性能的功率MOSFET有助于在60mm x 40mm x 18mm尺寸的100W USB-PD設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高達(dá)94%的效率。

圖6：外形小巧、效率高達(dá)94%的英飛凌100W USB-PD參考設(shè)計(jì)